EP1706613B9 - Verbrennungsmulde im boden eines kolbens für einen dieselmotor - Google Patents

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EP1706613B9
EP1706613B9 EP05726245.3A EP05726245A EP1706613B9 EP 1706613 B9 EP1706613 B9 EP 1706613B9 EP 05726245 A EP05726245 A EP 05726245A EP 1706613 B9 EP1706613 B9 EP 1706613B9
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combustion recess
undercut
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Definitions

  • the invention relates to a combustion bowl in the bottom of a piston for a diesel engine according to the preamble of claim 1.
  • combustion of the fuel-air mixture usually takes place in a combustion bowl formed in the bottom of the pistons of the diesel engine. It is known here to provide the radially outer edge region of the combustion bowl with an undercut. Already in the German patent no. 721889 was called as an advantage of this in a wide speed range of the diesel engine constant torque curve. According to the German design 1055873 the cause of this is in a turbulence caused by the undercut and a concomitant improvement in the evaporation of the fuel injected into the combustion bowl.
  • Said prior art has the disadvantage that due to the combustion of the fuel-air mixture in particular the radially outer edge of the combustion bowl is exposed to a very high temperature load, which can lead to damage of the combustion bowl.
  • German utility model DE 80 26 159 is proposed to solve this problem, to provide a cooling channel between the edge of a centrally disposed combustion recess and the piston bottom edge.
  • the combustion bowl is also advantageously off-center to the piston longitudinal axis arranged so that the fuel from the fuel nozzle can be easily injected into the combustion bowl.
  • a piston according to the preamble of claim 1 is made EP 0937888 known.
  • Fig. 1 shows a plan view of the bottom 1 of a piston 2 for a diesel engine, in which an eccentrically to the piston longitudinal axis 3 arranged combustion bowl 4 is formed with a non-round, radially outer boundary and with a circular trough neck 5.
  • the radially outer boundaries of the combustion recesses are not visible in the plan views according to the following figures, they are not shown in dashed lines, since the core of the present invention relates in particular to the shape and arrangement of these wells.
  • Dashed lines are drawn in FIG. 1 but the radially inner boundary 6 of a cooled ring carrier 7, in Fig. 2 is shown, a section through the bottom portion of the piston 2 according to Fig. 1 along the line II-II.
  • Fig. 2 also shows the cross-sectional shape of the combustion bowl 4 with the trough neck 5 and with the undercut 8 surrounding the entire combustion bowl 4.
  • FIG. 3 illustrated hollow neck 11 elliptical.
  • the advantage of this is that the resulting undercut 8 'near the main axis region of the hollow neck 11 with respect to the in the Figures 1 and 2 illustrated embodiment is reduced.
  • combustion recess 12 is arranged eccentrically to the piston longitudinal axis 3 in the region of the bottom 13 of the piston 14 and formed non-circular.
  • the combustion bowl 12 in the area 15 no undercut, which brings in the area 15 a best possible lowering of Muldenrand- and the Muldenhalstemperatur due to the cooling effect of the cooling channel 9 with it.
  • the embodiment of the combustion recess 16 according to the FIGS. 7 to 9 has a centrally arranged, hump-shaped Anformung 17, which ensures a better turbulence and thus improve the combustion of sprayed into the combustion bowl 16 fuel.
  • combustion bowls 18 to 22 have shapes that are adapted to the orientation and the number of holes of the injectors and the width of the outgoing therefrom and sprayed into the combustion bowls 18 to 22 firing jets.
  • the combustion bowl 18 is according to FIG. 10 arranged eccentrically to the piston longitudinal axis 3, provided with a circular hollow neck 26 and composed of two circular arc-shaped and opposite areas 23 and 24. It has an undercut 38 over its entire circumference.
  • the combustion recess 19 according to FIG. 11 differs from the combustion recess 18 ( Fig. 10 ) in that it has no undercut at two opposite regions 25 and 25 '.
  • the combustion bowl 20 according to Fig. 12 differs from the combustion recesses 18 and 19 according to 10 and 11 in that the hollow neck is not arranged symmetrically to the combustion bowl 20 and has no undercut in the region 29. It consists essentially of two circle segments 27 and 28 together.
  • the combustion recesses 21 and 22 according to the Figures 13 and 14 each consist of three circle segments. But it is also possible to assemble the combustion recesses of more than three circle segments.
  • the size and arrangement of each circular segment can here correspond to the direction and the width of the introduced into the respective circular segment combustion jet, wherein injection nozzles are used with holes of different diameters.
  • the combustion bowl 21 according to FIG. 13 is formed of the three circle segments 30, 31 and 32 and a region 33 without undercut.
  • combustion bowl 22 consists of three circular segments 34, 35, 36 of different diameters and from a circumferential undercut with over the circumference varying cross-section.
  • combustion troughs are characterized in that not only the radially outer boundaries of the combustion troughs but also their trough necks are formed out of round. If it is considered here that the production of the combustion troughs takes place in two or more machining stages, each with axisymmetric machining, whereby the piston is displaced in the corresponding direction between the machining phases, it becomes clear that this makes it possible is given to give the combustion recesses with the exception of part-circular corner areas substantially the shape of a triangle, a quadrangle or a polygon.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Verbrennungsmulde im Boden eines Kolbens für einen Dieselmotor nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
  • In einem direkt einspritzenden Dieselmotor findet die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches üblicherweise in einer Verbrennungsmulde statt, die in den Boden der Kolben des Dieselmotors eingeformt ist. Bekannt ist hierbei, den radial äußeren Randbereich der Verbrennungsmulde mit einem Hinterschnitt zu versehen. Bereits in der Deutschen Patentschrift Nr. 721889 wurde als Vorteil hiervon eine in einem weiten Drehzahlbereich des betreffenden Dieselmotors konstante Drehmomentenkurve genannt. Gemäß der Deutschen Auslegeschrift 1055873 liegt die Ursache hiervon in einer durch den Hinterschnitt bewirkten Verwirbelung und einer damit einhergehenden Verbesserung der Verdampfung des in die Verbrennungsmulde eingespritzten Kraftstoffes.
  • Aus der Europäischen Patentschrift EP 0 105 933 ist ein Kolben für einen Dieselmotor mit einer außermittig angeordneten Verbrennungsmulde bekannt, in deren radial äußeren Randbereich über mehrere Einspritzöffnungen einer Brennstoffdüse Kraftstoff eingespritzt wird. Zur Verbesserung der Verwirbelung und damit der Verdampfung des Kraftstoffes weist der Kolben eine Vielzahl von gleichmäßig über den Randbereich verteilten Ausnehmungen auf.
  • Der genannte Stand der Technik hat den Nachteil, dass wegen der Verbrennung des Kraftstoff-Luftgemisches insbesondere der radial äußere Rand der Verbrennungsmulde einer sehr hohen Temperaturbelastung ausgesetzt ist, die zu einer Beschädigung der Verbrennungsmulde führen kann.
  • In dem deutschen Gebrauchsmuster DE 80 26 159 wird zur Lösung dieses Problemes vorgeschlagen, zwischen dem Rand einer mittig angeordneten Verbrennungsmulde und dem Kolbenbodenrand einen Kühlkanal vorzusehen. Soll der aus dem letztgenannten Stand der Technik bekannte Kolben in einem Zweiventilmotor verwendet werden, in dem die Brennstoffdüsen neben dem symmetrisch zur Kolbenlängsachse liegenden Ein- und Auslassventil, d.h., außermittig in Bezug auf die Kolbenlängsachse angeordnet ist, ist vorteilhafterweise auch die Verbrennungsmulde außermittig zur Kolbenlängsachse angeordnet, damit der Kraftstoff von der Brennstoffdüse problemlos in die Verbrennungsmulde eingespritzt werden kann.
  • Hierbei ergibt sich das Problem, dass zwischen dem Feuersteg des Kolbens und dem dem Feuersteg nächst liegenden Randbereich der außermittig angeordneten Verbrennungsmulde kein Platz für einen Kühlkanal vorhanden ist, sodass zumindest in diesem Bereich der Kühlkanal weiter entfernt vom Kolbenboden im Nabenbereich des Kolbens angeordnet werden muss. Dies hat den Nachteil, dass in diesem Bereich der Rand der Verbrennungsmulde, der Muldenhals und auch die thermisch sehr hoch belastete Verdichtungsringnut schlecht gekühlt werden und Gefahr laufen, beschädigt zu werden. Als weiterer Nachteil ergibt sich hierbei, dass der im Übrigen nahe dem Kolbenboden liegende Kühlkanal eine gegenüber der Kolbenlängsachse schräge Lage einnimmt, was fertigungstechnische Probleme mit sich bringt.
  • Ein Kolben gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus EP 0937888 bekannt.
  • Letztlich tritt hierbei das Problem auf, dass der Abstand zwischen dem im Randbereich des Kolbenbodens angeordneten Teil des Kühlkanals und dem hiervon entfernt liegenden Randbereich der außermittig angeordneten Verbrennungsmulde so groß wird, dass auch die Kühlung dieses Randbereiches der Verbrennungsmulde beeinträchtigt wird.
  • Diese Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden ist Aufgabe der Erfindung. Gelöst wird die Aufgabe mit den im Kennzeichen des Hauptanspruches stehenden Merkmalen. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen
    • Fig. 1
    eine Draufsicht auf einen Kolben gemäß der Erfindung mit einer außermittig angeordneten Verbrennungsmulde,
    Fig. 2
    einen Schnitt durch den Bodenbereich des Kolbens gemäß Figur 1 entlang der Linie II-II,
    Fig. 3
    eine Draufsicht auf einen Kolben mit einer außermittig angeordneten Verbrennungsmulde, die einen elliptisch geformten Muldenhals aufweist,
    Fig. 4
    eine Draufsicht auf einen Kolben mit einer außermittig angeordneten Verbrennungsmulde, die auf einer Seite keinen Hinterschnitt aufweist,
    Fig. 5
    einen Schnitt durch den Bodenbereich des Kolbens gemäß Figur 4 entlang der Linie V-V,
    Fig. 6
    einen Schnitt durch den Bodenbereich des Kolbens gemäß Figur 4 entlang der Linie VI-VI,
    Fig. 7
    eine Draufsicht auf den Kolben gemäß Figur 4, der eine in der Mitte der Verbrennungsmulde angeordnete, hökkerartige Anformung aufweist,
    Fig. 8
    einen Schnitt durch den Bodenbereich des Kolbens gemäß Figur 7 entlang der Linie VIII-VIII,
    Fig. 9
    einen Schnitt durch den Bodenbereich des Kolbens gemäß Figur 7 entlang der Linie IX-IX,
    Fig. 10
    eine Draufsicht auf einen Kolben mit einer außermittig angeordneten Verbrennungsmulde, die sich aus zwei, im Schnitt halbkreisförmigen Bereichen zusammensetzt, und die über ihren gesamten Umfang hinterschnitten ist,
    Fig. 11
    eine Draufsicht auf einen Kolben mit einer außermittig angeordneten Verbrennungsmulde, die sich aus zwei, im Schnitt halbkreisförmigen Bereichen zusammensetzt, und die auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten keine Hinterschnitte aufweist,
    Fig. 12 bis 14
    Draufsichten auf Kolben mit außermittig angeordneten Verbrennungsmulden, deren Formen der Anzahl und der Ausrichtung der Bohrungen von Einspritzdüsen angepasst sind.
  • Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf den Boden 1 eines Kolbens 2 für einen Dieselmotor, in den eine außermittig zur Kolbenlängsachse 3 angeordnete Verbrennungsmulde 4 mit einer unrund ausgebildeten, radial äußeren Begrenzung und mit einem kreisförmigen Muldenhals 5 eingeformt ist. Obwohl die radial äußeren Begrenzungen der Verbrennungsmulden in den Draufsichten gemäß den folgenden Figuren nicht sichtbar sind, sind sie nicht gestrichelt gezeichnet, da sich der Kern der vorliegenden Erfindung insbesondere auf Form und Anordnung dieser Mulden bezieht. Gestrichelt eingezeichnet ist in Figur 1 aber die radial innere Begrenzung 6 eines gekühlten Ringträgers 7, der in Fig. 2 dargestellt ist, einem Schnitt durch den Bodenbereich des Kolbens 2 gemäß Fig. 1 entlang der Linie II-II. Fig. 2 zeigt auch die Querschnittsform der Verbrennungsmulde 4 mit dem Muldenhals 5 und mit dem die gesamte Verbrennungsmulde 4 umgebenden Hinterschnitt 8.
  • Hierbei kommt die radial äußere Begrenzung des Hinterschnittes 8 der Verbrennungsmulde 4 der radial inneren Begrenzung des gekühlten Ringträgers 7 in allen Bereichen so nahe, dass vom Kühlkanal 9 nicht nur die Nut 10 für einen in den Figuren nicht dargestellten Verdichtungsring sondern zudem alle Randbereiche der Verbrennungsmulde 4 gekühlt werden.
  • Im Unterschied zu der Verbrennungsmulde 4 gemäß den Figuren 1 und 2 ist der in Figur 3 dargestellte Muldenhals 11 elliptisch ausgebildet. Der Vorteil hiervon liegt darin, dass der sich hierdurch ergebende Hinterschnitt 8' nahe dem Hauptachsenbereich des Muldenhalses 11 gegenüber dem in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel verkleinert ist.
  • Die in den Figuren 4 bis 6 dargestellte Verbrennungsmulde 12 ist außermittig zur Kolbenlängsachse 3 im Bereich des Bodens 13 des Kolbens 14 angeordnet und unrund ausgebildet. Wie insbesondere der Schnitt gemäß Figur 6 durch den Bodenbereich des Kolbens 14 zeigt, weist die Verbrennungsmulde 12 im Bereich 15 keinen Hinterschnitt auf, was im Bereich 15 eine bestmögliche Absenkung der Muldenrand- und der Muldenhalstemperatur aufgrund der Kühlwirkung des Kühlkanals 9 mit sich bringt.
  • Die Ausgestaltung der Verbrennungsmulde 16 gemäß den Figuren 7 bis 9 weist eine mittig angeordnete, höckerartig ausgebildete Anformung 17 auf, die für eine bessere Verwirbelung und damit für eine Verbesserung der Verbrennung des in die Verbrennungsmulde 16 eingesprühten Kraftstoffes sorgt.
  • Die in den Figuren 10 bis 14 dargestellten Ausgestaltungen von Verbrennungsmulden 18 bis 22 weisen Formen auf, die der Ausrichtung und der Anzahl der Bohrungen der Einspritzdüsen und der Breite der davon ausgehenden und in die Verbrennungsmulden 18 bis 22 eingesprühten Brennstrahlen angepasst sind. So ist die Verbrennungsmulde 18 gemäß Figur 10 außermittig zur Kolbenlängsachse 3 angeordnet, mit einem kreisförmigen Muldenhals 26 versehen und aus zwei im Schnitt kreisbogenförmigen und einander gegenüberliegenden Bereichen 23 und 24 zusammengesetzt. Sie weist über ihren gesamten Umfang einen Hinterschnitt 38 auf.
  • Die Verbrennungsmulde 19 gemäß Figur 11 unterscheidet sich von der Verbrennungsmulde 18 (Fig. 10) dadurch, dass sie an zwei einander gegenüberliegenden Bereichen 25 und 25' keinen Hinterschnitt aufweist.
  • Die Verbrennungsmulde 20 gemäß Fig. 12 unterscheidet sich von den Verbrennungsmulden 18 und 19 gemäß Fig. 10 und 11 dadurch, dass der Muldenhals nicht symmetrisch zur Verbrennungsmulde 20 angeordnet ist und im Bereich 29 keinen Hinterschnitt aufweist. Sie setzt sich im Wesentlichen aus zwei Kreissegmenten 27 und 28 zusammen.
  • Die Verbrennungsmulden 21 und 22 gemäß den Figuren 13 und 14 bestehen aus jeweils drei Kreissegmenten. Es ist aber auch möglich, die Verbrennungsmulden aus mehr als drei Kreissegmenten zusammenzusetzen. Größe und Anordnung eines jeden Kreissegmentes kann hierbei der Richtung und der Breite des in das jeweilige Kreissegment eingeleiteten Brennstrahles entsprechen, wobei Einspritzdüsen mit Bohrungen unterschiedlichen Durchmessers zum Einsatz kommen.
  • Die Verbrennungsmulde 21 gemäß Figur 13 ist aus den drei Kreissegmenten 30, 31 und 32 und einem Bereich 33 ohne Hinterschnitt gebildet.
  • Die in Figur 14 dargestellte Verbrennungsmulde 22 besteht aus drei Kreissegmenten 34, 35, 36 unterschiedlichen Durchmessers und aus einem umlaufenden Hinterschnitt mit über den Umfang variierendem Querschnitt.
  • Weitere in den Figuren nicht dargestellte Ausgestaltungen von Verbrennungsmulden sind dadurch gekennzeichnet, dass hierbei nicht nur die radial äußeren Begrenzungen der Verbrennungsmulden sondern auch deren Muldenhälse unrund ausgebildet sind. Wenn hierbei in Betracht gezogen wird, dass die Herstellung der Verbrennungsmulden in zwei oder mehreren Bearbeitungstufen mit jeweils achssymmetrischer Bearbeitung erfolgt, wobei der Kolben zwischen den Bearbeitungsphasen in die entsprechende Richtung verschoben wird, wird deutlich, dass hierdurch die Möglichkeit gegeben ist, den Verbrennungsmulden mit Ausnahme von teilkreisförmigen Eckbereichen im Wesentlichen die Form eines Dreiecks, eines Vierecks oder eines Mehrecks zu geben.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Boden des Kolbens 2
    2, 2'
    Kolben
    3
    Kolbenlängsachse
    4, 4'
    Verbrennungsmulde
    5
    Muldenhals
    6
    radial innere Begrenzung des gekühlten Ringträgers 7
    7
    gekühlter Ringträger
    8, 8'
    Hinterschnitt
    9
    Kühlkanal
    10
    Nut für einen Verdichtungsring
    11
    elliptischer Muldenhals
    12
    Verbrennungsmulde
    13
    Boden des Kolbens 14
    14
    Kolben
    15
    Bereich der Verbrennungsmulde 12
    16
    Verbrennungsmulde
    17
    Anformung
    18, 19, 20, 21, 22
    Verbrennungsmulde
    23, 24
    Bereich der Verbrennungsmulde 18
    25, 25'
    Bereich der Verbrennungsmulde 19
    26
    Muldenhals
    27, 28
    Kreissegment
    29
    Bereich der Verbrennungsmulde 20
    30, 31, 32
    Kreissegment
    33
    Bereich der Verbrennungsmulde 21
    34, 35, 36
    Kreissegment
    38
    Hinterschnitt

Claims (8)

  1. Verbrennungsmulde (4, 4' 12, 16, 18-22) im Boden (1, 13) eines Kolbens (2, 2', 14) für einen Dieselmotor
    - mit einem im radial äußeren, kolbenbodenseitigen Randbereich des Kolbens (2, 2', 14) angeordneten, durch einen Kühlkanal (9), gekühlten Ringträger (7),
    - wobei die Verbrennungsmulde (4, 12, 16, 18-22) sowie deren Muldenhals (5, 11, 26) außermittig zur Kolbenlängsachse (3) angeordnet ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass in mindestens einem Teil des radial äußeren Randbereiches der Verbrennungsmulde (4, 12, 16, 18-22) ein sich bezüglich des Muldenhalses (5, 11, 26) unterschiedlich weit nach radial außen erstreckender Hinterschnitt (8, 8', 38) insoweit eingeformt ist, dass der gesamte radial äußere Randbereich der Verbrennungsmulde (4, 12, 16, 18-22) für eine Kühlwirkung des gekühlten Ringträgers (7) auf die Verbrennungsmulde (4, 12, 16, 18-22) ausreichend nahe dem Kühlkanal (9) angeordnet ist, und dass in der Mitte des Bodens der Verbrennungsmulde (16) eine höckerartig ausgebildete Anformung (17) angeordnet ist.
  2. Verbrennungsmulde (4, 12, 16, 18-22) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen kreisförmigen Muldenhals (5, 26).
  3. Verbrennungsmulde (4') nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen oval geformten Muldenhals (11).
  4. Verbrennungsmulde (12, 16, 20, 21, 22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens einen radial äußeren Randbereich mit Hinterschnitt und mindestens einen radial äußeren Randbereich (15, 25, 25', 29, 33) ohne Hinterschnitt.
  5. Verbrennungsmulde (18 bis 20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zwei einander gegenüberliegende, im Wesentlichen kreissegmentförmige Bereiche (23, 24, 27, 28).
  6. Verbrennungsmulde (21, 22) nach Anspruch 1 bis 5, gekennzeichnet durch mehr als zwei kreissegmentförmige Bereiche (30-32, 34-36).
  7. Verbrennungsmulde (18-22) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die kreissegmentförmigen Bereiche (23, 24, 27, 28, 30-32, 34-36) ineinander übergehend bearbeitet sind.
  8. Verbrennungsmulde (4, 12, 16, 18-22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Verbrennungsmulde (4, 12, 16, 18-22) Kraftstoff über Einnspritzdüsen eingespritzt wird, deren Bohrungen derart dimensioniert und angeordnet sind, dass die Breite und die Ausrichtung der Kraftstoffstrahlen den lokalen Erstreckungen der zugehörigen Muldenbereiche angepasst sind.
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